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青色LED発明者たち、ノーベル賞受賞おめでとう

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赤崎勇名城大学終身教授と天野浩名古屋大学教授、中村修二カリフォルニア大学サンタバーバラ校教授の3名が2014年ノーベル物理学賞を受賞した。理由は青色LEDの発明である。赤崎氏が名古屋大学教授であった時代に天野氏と共に、光が見える程度の青色LEDを発明した。その後、徳島の日亜化学工業にいた中村修二氏が効率を上げ実用的なレベルに引き上げた。日亜化学は蛍光塗料の会社から、一躍LEDの先端企業となった。

青色LEDの最大のインパクトはセミコンポータルの読者にとっては、釈迦に説法するようで誠に肩身が狭いが、照明である。当初は、R(赤)G(緑)B(青)による信号機がメインだったが、LEDからレーザーを生むことでBluRayプレイヤーのヘッドに採用された。もちろんその他の豆ランプへの応用は言うまでもない。

白色LEDは青色LEDに黄色い蛍光体を塗り、白色光を生み出している。これは定性的には、R(赤)とG(緑)を混ぜると黄色になることから、3色の光を混ぜることで白色を出すと考えると理解しやすい。R、G、Bの3チップを実装する必要はない。

白色光を出せることで、照明への応用が始まった。当初は冷たい感じの白色光だったが、黄色の蛍光体の配合を変えて白熱灯に近い色を出すことができるようになっている。今日、訪問したDialog Semiconductorでは、LEDドライバのドライブ回路を工夫することで、色温度をある程度調節できると述べている。ランプすなわち蛍光体を変え、ドライブの調光回路を工夫することで、暖かい色の室内照明を得ることができるとする。

LED照明のインパクトは何といっても省エネである。白熱灯や蛍光灯と比べて少ない電力で明かりが得られる。全世界のCO2削減に大きく貢献できる。欧州では、CO2削減の環境目標に向けてまい進している。日本では3.11の後、環境対策、CO2削減への意識が小さくなっているように見える。しかし、LED照明による省エネ効果を進め、CO2削減目標を確実にクリヤする方向にある。

LED照明はこれまでの光源とは全く異なる効果もある。スマート照明(ライティング)と呼ばれる技術がそれである。LEDは白熱灯と比べると圧倒的に消費電力が少ない。蛍光灯と比べても数十%少ないが、蛍光灯ではできなかった調光ができる。センサと組み合わせて明るさを瞬時に調整できるのだ。蛍光灯だと点灯するまでに1〜2秒かかる。大学の建物などで、人が建物に入ると照明がつくシステムを用いているところがある。しかし、暗い部屋へ足を踏み出すことに躊躇することがある。スマート照明は部屋に入る前に明かりを灯してくれる。安心の度合いが全く違う。

さらにスマート照明は、安全性を高める効果もある。例えば、クルマを走らせていてトンネルに入る時に一瞬暗くて全く何も見えなくなることがある。このような場合、トンネル側のセンサでクルマを検出したら、トンネル内を予め明るくしておき、クルマから良く見えるようにしておくことができる。クルマがトンネルに入ったら照度を下げてもよい。

スマート照明は電力コストをさらに下げることもできる。例えば、外光が差し込む窓側の部屋の上の照度を下げ、部屋の奥を明るくすると、省エネになる。明るさに応じてLEDの照度を変えるのである。この場合は照度センサをいくつか配置しておく必要がある。こういった応用では電力線通信が役に立つ。もちろん、レストランやバー、ホテルなどでは食べ物のおいしさを表現する明かりや、ムードを出す光、落ち着いて話ができる明かり、など様々なシーンに応じて照度、色温度などを変えることができる。

かつて、固体照明のセミナーでLED照明は2015年をピークに2016年あたりから有機EL照明に代わる、という調査会社の予測グラフを見たが、残念ながらその通りにはまずならない。有機EL照明の生産技術はLEDにまだ追いついていないからだ。白色LED技術は、東芝が進めているように、6インチSiウェーハ上にGaNを結晶成長させることで更なる低コスト化が見えている。

スタンレー電気などが開発しているが、LED照明はクルマのヘッドランプにも使われる。それもスマート照明と組み合わせると、ハイビームとロービームを自動的に切り替えることもできる。クルマのヘッドランプはLEDからレーザー照明にも使われ始めている。先日ドイツへ出張してBMW博物館を訪れた時、最新の電気自動車i3への搭載を検討していると関係者は語った。LEDだとハイビームで400mまでだが、レーザー照明だと600m先まで見えるという。

LEDの進歩はこの先もまだまだ続き、センサと組み合わせたスマート照明の時代はこれから始まる。半導体メーカーは、照度センサとLEDドライバ、周辺回路、マイコンなどで忙しくなる。LEDからレーザースキャニング照明も開発が進むだろう。LED、レーザー、いずれもGaNスマート照明時代はこれからが本番を迎える。

(2014/10/08)

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